位控系統(tǒng)電磁干擾問(wèn)題的分析與解決措施

吳紅梅,王 東,辛 勇,雷士遠(yuǎn)

(1.中國(guó)南方航空股份有限公司沈陽(yáng)維修基地，遼寧 沈陽(yáng) 110169;2.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所,遼寧 沈陽(yáng) 110015)

0 引言

隨著脈沖功率設(shè)備功率的不斷增大，電氣設(shè)備所處的電磁環(huán)境日益惡化[1]，區(qū)域化電磁環(huán)境變得異常復(fù)雜，電磁干擾到處存在，各設(shè)備之間的相互影響越來(lái)越明顯[2]。目前系統(tǒng)的電磁干擾有外部和內(nèi)部干擾兩個(gè)方面[3]。形成干擾必須具備的三要素是干擾源、耦合路徑、敏感器[4]，而傳感器和霍爾元件是敏感器件，它是位置伺服系統(tǒng)中的組成部分。位置伺服系統(tǒng)也稱(chēng)隨動(dòng)系統(tǒng)，伺服電機(jī)的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能[5]。穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)精度以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力等指標(biāo)被作為評(píng)定伺服系統(tǒng)性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)[6]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，交流伺服驅(qū)動(dòng)器采用了脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)比相位控制更為普遍，但主電路使用的“高速開(kāi)關(guān)元件”對(duì)外界的干擾十分強(qiáng)烈，配線和接地處理不當(dāng)，有可能對(duì)外部配線帶來(lái)電磁干擾，反而造成自身的錯(cuò)誤動(dòng)作。本系統(tǒng)選的Σ-V系列AC伺服單元，因?yàn)槭钱a(chǎn)業(yè)用設(shè)備的緣故，所以沒(méi)有考慮抗干擾對(duì)策[7]，在選擇伺服單元時(shí)忽略了這一點(diǎn)，在設(shè)備調(diào)試過(guò)程中，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，在排除系統(tǒng)的電磁干擾過(guò)程中，又出現(xiàn)其它干擾，影響了系統(tǒng)的正常功能。本文通過(guò)對(duì)測(cè)控設(shè)備調(diào)試過(guò)程出現(xiàn)的故障現(xiàn)象及排除方法做了簡(jiǎn)單的梳理和總結(jié)。

1 測(cè)控設(shè)備

風(fēng)洞是進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)研究與飛行器研制的最基本的試驗(yàn)設(shè)備[8]。探針測(cè)控系統(tǒng)是平面葉柵試驗(yàn)器重要的測(cè)量裝置之一[9]，而伺服驅(qū)動(dòng)器單元是探針測(cè)控系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置。其主要作用是控制探針的自動(dòng)、連續(xù)、精確地跟蹤氣流的變化，在經(jīng)過(guò)PLC控制下可實(shí)現(xiàn)本地、就地、遠(yuǎn)程和氣流的自動(dòng)跟蹤控制。該系統(tǒng)由探針、壓力變送器、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、通訊模塊、外圍電器元件、PLC可編程控制器和一臺(tái)工控機(jī)組成。為實(shí)現(xiàn)對(duì)位移機(jī)構(gòu)智能化控制和良好的人機(jī)界面，上位機(jī)采用工控機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。上位機(jī)的主要作用是完成與PLC(可編程控制器)的指令和數(shù)據(jù)交換，并接受上位機(jī)指令后對(duì)柵前位移機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，拖動(dòng)?xùn)徘疤结樛瓿勺詣?dòng)跟蹤氣流并輸出角位移量，完成平面葉柵測(cè)量采集工作。位移機(jī)構(gòu)控制框圖見(jiàn)圖1。

圖1 位移機(jī)構(gòu)控制框圖[10]

2 故障現(xiàn)象及產(chǎn)生干擾的來(lái)源

2.1 伺服驅(qū)動(dòng)器控制原理

伺服系統(tǒng)的主要任務(wù)是控制被控對(duì)象的輸出自動(dòng)、連續(xù)、精確地跟蹤輸入信號(hào)的變化。將執(zhí)行元件輸出功率大于500 W以上的伺服系統(tǒng)稱(chēng)為大功率伺服系統(tǒng)[11]。本系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)器是位移機(jī)構(gòu)的執(zhí)行元件，其中X軸伺服驅(qū)動(dòng)器電機(jī)輸出功率750 W，其伺服驅(qū)動(dòng)器原理見(jiàn)圖2。

圖2 伺服驅(qū)動(dòng)器控制框圖

2.2 伺服驅(qū)動(dòng)器控制方式

伺服驅(qū)動(dòng)器控制方式是位置控制模式(見(jiàn)圖3)，通過(guò)脈沖序列位置指令來(lái)控制機(jī)械的位置，通過(guò)PLC輸出的脈沖數(shù)來(lái)控制位置，以輸入脈沖的頻率來(lái)控制速度。

圖3 伺服驅(qū)動(dòng)器位控模式

2.3 故障現(xiàn)象

柵前位移控制系統(tǒng)進(jìn)入安裝調(diào)試后，在多套葉柵試驗(yàn)中使用，在使用過(guò)程中X軸和M軸同步工作，或Y軸和M軸工作系統(tǒng)非常穩(wěn)定。但X軸和Y軸同步工作時(shí)，X軸伺服電機(jī)未發(fā)位控指令時(shí)偶出現(xiàn)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。因?yàn)榻涣魉欧到y(tǒng)的最大特點(diǎn)是在有控制信號(hào)輸入時(shí)，伺服電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)；沒(méi)有控制信號(hào)輸入時(shí)，伺服電機(jī)就停止，所以摘掉PLC中X軸輸出指令脈沖序列接線端子，故障現(xiàn)象依舊存在，且當(dāng)X軸發(fā)生誤動(dòng)作后限位不起任何作用。當(dāng)Y軸伺服驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉后，X軸故障現(xiàn)象消除，表明系統(tǒng)內(nèi)部伺服驅(qū)動(dòng)器之間有干擾信號(hào)發(fā)生，干擾信號(hào)作用X軸控制繞組，且達(dá)到了足以讓伺服電機(jī)產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象干擾輸出電壓，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的干擾問(wèn)題。

2.4 干擾的來(lái)源

干擾現(xiàn)象經(jīng)常會(huì)在使用現(xiàn)場(chǎng)中發(fā)生，由于電磁場(chǎng)、漏電流、接地的處理和其它因素的影響，在伺服驅(qū)動(dòng)器的輸入輸出端會(huì)出現(xiàn)一個(gè)附加的信號(hào)，而這個(gè)信號(hào)并不是我們所需要的工作信號(hào)，它的出現(xiàn)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的正常工作起到干擾作用。從圖2原理圖分析，Σ-V系列AC伺服驅(qū)動(dòng)器采用了脈寬調(diào)制技術(shù)和IGBT等功率開(kāi)關(guān)器件、接觸器和制動(dòng)線圈等裝置。其中絕緣柵雙級(jí)晶體管構(gòu)成的電壓型逆變電路采用的是PWM控制技術(shù)，當(dāng)工作于開(kāi)關(guān)模式且作高速切換時(shí)，因電流劇烈變化產(chǎn)生順變的脈沖且產(chǎn)生大量耦合性噪聲，因此此類(lèi)型驅(qū)動(dòng)器對(duì)系統(tǒng)內(nèi)其它的電子、電氣設(shè)備來(lái)說(shuō)是一個(gè)電磁干擾源。PWM功率轉(zhuǎn)換電路在開(kāi)關(guān)元件切換過(guò)程中，大脈沖電流引起電磁干擾，會(huì)從伺服單元的主回路通過(guò)伺服電機(jī)的寄生電容流出，變化的電流回路與地回路構(gòu)成環(huán)路產(chǎn)生磁場(chǎng)耦合，干擾了伺服驅(qū)動(dòng)器輸入輸出端子，且主回路輸出產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)漏電流產(chǎn)生的干擾信號(hào)，附加在控制繞組的干擾信號(hào)足以使伺服電機(jī)自轉(zhuǎn)，且相位(或極性)的不同會(huì)使伺服電機(jī)向不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)。另外接觸器和制動(dòng)線圈在關(guān)斷過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生浪涌電流，處理不當(dāng)也會(huì)對(duì)其它敏感部件產(chǎn)生干擾。上述干擾源分析和故障現(xiàn)象排除過(guò)程中，通過(guò)PLC對(duì)監(jiān)控的數(shù)據(jù)點(diǎn)監(jiān)控，系統(tǒng)干擾主要來(lái)源判斷是伺服電機(jī)的寄生電容流出漏電流，通過(guò)輻射和傳導(dǎo)干擾，利用地線作為一條輸電線，產(chǎn)生地電流的干擾，由于地電流的出現(xiàn)，在大地中的各個(gè)不同點(diǎn)上存在電位差，當(dāng)這個(gè)電位差達(dá)到一定量值時(shí)，會(huì)使伺服裝置產(chǎn)生誤判現(xiàn)象，影響系統(tǒng)正常工作。經(jīng)過(guò)查閱手冊(cè)說(shuō)明書(shū)，該類(lèi)型伺服驅(qū)動(dòng)器由于為工業(yè)設(shè)備，因此未采取無(wú)線電干擾措施[12]，設(shè)計(jì)疏忽未考慮到電磁的兼容性，導(dǎo)致系統(tǒng)存在缺陷和安全隱患。

3 干擾問(wèn)題的解決措施

3.1 解決端間干擾的措施

電路和電磁感應(yīng)耦合是輸入端干擾的主要來(lái)源，在減小端間干擾的措施方面，采取了信號(hào)線繞開(kāi)驅(qū)動(dòng)器遠(yuǎn)離干擾源，把信號(hào)線相互絞和，消除靜電感應(yīng)產(chǎn)生的電壓干擾，將脈沖序列信號(hào)線調(diào)整為屏蔽線，保證信號(hào)線和屏蔽線等電位，以減小交變電磁場(chǎng)的影響，減小電流的干擾，調(diào)試后干擾信號(hào)明顯衰減，電機(jī)誤動(dòng)作現(xiàn)象明顯減弱，但X軸仍有微動(dòng)現(xiàn)象，再重新調(diào)整了Y軸驅(qū)動(dòng)器的安裝位置，盡量調(diào)整信號(hào)輸入和輸出配線分開(kāi)，經(jīng)調(diào)試后Y軸驅(qū)動(dòng)器上電后，X軸電機(jī)誤動(dòng)作現(xiàn)象解除，但又出現(xiàn)原Y軸正常的工作狀態(tài)變?yōu)榻o定步長(zhǎng)啟動(dòng)偶爾停不下來(lái)或給定距離指令與實(shí)際到位偶然出現(xiàn)偏差，回原點(diǎn)不起動(dòng)等現(xiàn)象。

3.2 解決對(duì)地干擾的措施

對(duì)地的干擾是指干擾電壓出現(xiàn)信號(hào)輸入端(正端或負(fù)端)對(duì)地之間的交流信號(hào)。在解決電機(jī)誤動(dòng)作過(guò)程中新出現(xiàn)的給定步長(zhǎng)啟動(dòng)偶爾停不下來(lái)，回原點(diǎn)不起動(dòng)等現(xiàn)象，表明在PLC (可編程控制器)和伺服單元輸入輸出信號(hào)出現(xiàn)噪音和高次諧波，干擾了PLC(可編程控制器)外接霍爾元件的正常工作，這種干擾主要來(lái)自對(duì)地干擾,一條途徑是開(kāi)關(guān)干擾電流會(huì)從伺服單元的主回路通過(guò)伺服電機(jī)的寄生電容流出引起的，通過(guò)傳導(dǎo)影響到伺服驅(qū)動(dòng)器信號(hào)輸入輸出端，致伺服驅(qū)動(dòng)器到位信號(hào)出現(xiàn)異常，導(dǎo)致回原點(diǎn)不起動(dòng)；另一條途徑是地電流的干擾，由于伺服驅(qū)動(dòng)器使用了高速開(kāi)關(guān)元件，受到開(kāi)關(guān)元件噪音的影響，且X軸伺服電機(jī)功率略大(0.75 kW)，對(duì)系統(tǒng)其它部件干擾性較強(qiáng)，在未選屏蔽電纜且地線處理不當(dāng)情況下，對(duì)周?chē)碾娮印㈦姎獠考a(chǎn)生電磁輻射，交變電磁場(chǎng)的干擾信號(hào)干擾了PLC外接的敏感元件及Y軸伺服單元的正常工作，導(dǎo)致給定距離指令與實(shí)際到位偶然出現(xiàn)偏差。為解決新出現(xiàn)的電磁干擾(EMI)現(xiàn)象，采取了X軸伺服電機(jī)動(dòng)力線更換了屏蔽電纜，伺服電機(jī)框架端子(FG)和伺服單元的接地端子相連，屏蔽線接地，接地端子接地等措施。Y軸給定步長(zhǎng)啟動(dòng)偶爾停不下來(lái)和回原點(diǎn)不起動(dòng)等干擾現(xiàn)象解除。

3.3 解決直流干擾的措施

除了上述的交流干擾, 同樣，系統(tǒng)內(nèi)部的強(qiáng)電元件，如電磁制動(dòng)線圈、續(xù)電器和電機(jī)等感性負(fù)載，在通斷過(guò)程中產(chǎn)生的瞬時(shí)過(guò)電壓和沖擊電流，不僅會(huì)影響伺服驅(qū)動(dòng)單元，還會(huì)通過(guò)直流電源對(duì)電子線路造成干擾，盡管PLC信號(hào)輸入端采用光耦合電路提高了抗干擾性，但對(duì)于存在的電磁干擾，通過(guò)分布電容的耦合通道，影響到敏感的接收單元-霍爾元件，使得接收單元-霍爾元件輸出明顯異常，也會(huì)影響到PLC控制系統(tǒng)，導(dǎo)致PLC回原點(diǎn)啟動(dòng)不正常。為了抑制干擾源，提高線路的抗干擾能力，選擇動(dòng)力屏蔽電纜，信號(hào)輸入端采用單點(diǎn)接地，同時(shí)采取了對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)單元和線進(jìn)行了合理布局，以彌補(bǔ)接地、屏蔽和濾波的不足，通過(guò)這些措施的改進(jìn)，使PLC系統(tǒng)回原點(diǎn)工作正常，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.4 提高系統(tǒng)干擾的穩(wěn)定性措施

通過(guò)接地、隔離抑制電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的耦合通道作用，提高系統(tǒng)電磁兼容性的性能，雖然解決了電磁干擾系統(tǒng)存在的伺服電機(jī)自傳現(xiàn)象，但在排查過(guò)程中出現(xiàn)部件、PLC和伺服單元相互的干擾現(xiàn)象，盡管電磁干擾信號(hào)有明顯衰減，但這種電磁干擾并沒(méi)有徹底消除，隱藏的干擾會(huì)直接影響系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和品質(zhì)指標(biāo)。為了消除電磁干擾源，可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法，抑制干擾信號(hào)從伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)電源線傳導(dǎo)干擾到系統(tǒng)。由于線路中有敏感電子部件，為增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性和品質(zhì)指標(biāo)，如圖4所示，在信號(hào)輸入端設(shè)置噪聲濾波器以免傳導(dǎo)干擾；在主回路增加噪音濾波器，以避免噪音對(duì)伺服單元造成不良影響；在控制回路，增加隔離變壓器，使一次側(cè)和二次側(cè)的電氣完全絕緣，隔斷干擾的傳導(dǎo)通道；在直流電源前增加噪聲濾波器，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射干擾有抑制作用；對(duì)主要電纜采用屏蔽，施行單點(diǎn)接地方式等，這些措施是抑制和消除干擾源、切斷干擾對(duì)系統(tǒng)的耦合通道，提高系統(tǒng)抗干擾的有效方法。

圖4 增加濾波隔離裝置位置圖

4 結(jié)論

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，由頻率高、電流大的設(shè)備組成的系統(tǒng)的電磁兼容性顯得非常重要，通過(guò)接地、屏蔽、濾波、隔離和調(diào)整布線等有效方式，對(duì)通過(guò)輻射、傳到和公共阻抗作用在輸入輸出端干擾信號(hào)進(jìn)行衰減，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，才能保證系統(tǒng)的正常工作和消除安全隱患。